Germany
June 12, 2024
For any organism, the immune system must be sensitive enough to respond to invaders but not so sensitive as to fire all the time and attack its own cells – so-called autoimmunity. A new study led by Jijie Chai at Westlake University, China and Paul Schulze-Lefert from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne, Germany, has shown that pivotal plant immune molecules are tightly packaged and are in this way shielded from inappropriate activation.
Inositol hexakisphosphate (IP6) binding sites in the SlNRC2 dimer. One IP6 molecule and one ADP molecule bind SlNRC2 monomer. IP6 molecules are shown in red and ADP molecules in light blue
In plant immunity, recognition of invading pathogens by plant immune receptors often results in a regulated form of cell death that is restricted to the site of the attempted infection. This cell death serves its purpose when the scale of the response is commensurate with the threat faced. However, how do plants ensure that this suicide response does not get out of control, causing damage to the plant? Scientists now have an answer to this question.
Many plant immune receptors are activated unintentionally when they are produced in large quantities inside plant cells. However, the nightshades, which include many agriculturally important crops such as the tomato, potato and eggplant, have a group of immune receptors that are present at high levels without becoming activated and causing cell death. To get a handle on how these proteins were inactive despite being present at high levels, the scientists expressed and purified one member from this group of proteins and analysed its weight. This information gave the scientists further insights into the structural characteristics of the protein and showed that the molecules were forming complexes of units that were inactive. The researchers could establish that these complexes were responsible for preventing activation, because, when they interfered with the packaging of the receptor, cell death was enhanced in the presence of a viral protein.
Apart from the self-packaging mechanism, the authors’ analysis revealed another striking feature: the immune protein was bound by a tiny molecule, called inositol phosphate, which is important for the activation of the receptor and the cell death response. Inositol phosphates come in a variety of flavors and were linked to plant defense against pathogens more than 15 years ago, but it remained unclear how and where these tiny molecules might act inside plant cells. Now there is an answer, because the researchers could establish that the entire group of nightshade immune receptors, which are present in high concentrations, have the capability to bind inositol phosphates.
Why do plants then express certain immune receptors at such high levels? One explanation could be that such a constitutive accumulation might prepare plants for a rapid response to infection. Architecturally related immune molecules from animals, including humans, have also been found to form oligomers. Thus, this appears to be a strategy employed by organisms in different kingdoms of life. Summing up, Paul Schulze-Lefert points out how “The self-packaging of immune receptors inside cells is an elegant means of nature to prepare for a rapid immune response without the risk of autoimmunity”.
Die Kunst des Gleichgewichts – ein Balanceakt der pflanzlichen Immunantwort - Eine Studie in Nature beschreibt einen neuartigen Regelungsmechanismus, der die Immunreaktionen von Pflanzen in Schach hält
Eine neue Studie unter der Leitung von Jijie Chai von der Westlake University in China und Paul Schulze-Lefert vom Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln hat gezeigt, dass entscheidende pflanzliche Immunmoleküle sich untereinander in einen Verbund verpacken und auf diese Weise vor unerwünschter Aktivierung geschützt werden
Inositolhexakisphosphat (IP6)-Bindungsstellen im SlNRC2-Dimer. Ein IP6-Molekül und ein ADP-Molekül binden ein SlNRC2-Monomer. IP6-Moleküle sind in rot und ADP-Moleküle in hellblau dargestellt
Das Immunsystem eines jeden Organismus muss ausreichend empfindlich sein, um angemessen auf mikrobielle Krankheitserreger wie Bakterien oder Pilze zu reagieren. Allerdings darf es nicht so empfindlich sein, dass es ständig oder unbeabsichtigt aktiviert wird und somit die eigenen Zellen angreift - die sogenannte Autoimmunität.
In der pflanzlichen Immunität führt die Erkennung mikrobieller Krankheitserreger durch pflanzliche Immunrezeptoren häufig zu einer kontrollierten Form des Zelltods, der auf den Ort der Infektion begrenzt ist. Dieser Zelltod erfüllt seinen Zweck, wenn das Ausmaß der Reaktion der Bedrohung angemessen ist. Doch wie sorgen Pflanzen dafür, dass diese Selbstmordreaktion nicht außer Kontrolle gerät und der Pflanze Schaden zufügt? Forschende haben jetzt eine Antwort auf diese Frage gefunden.
Pflanzliche Immunrezeptoren werden in aller Regel ungewollt aktiviert, wenn sie in großen Mengen in Pflanzenzellen produziert werden. Die Nachtschattengewächse, zu denen viele landwirtschaftlich wichtige Nutzpflanzen wie Tomaten und Kartoffeln gehören, verfügen über eine Gruppe von Immunrezeptoren, die ständig in großen Mengen produziert werden, jedoch inaktiv bleiben und keine Autoimmunität auslösen. Um herauszufinden, warum diese Proteine, obwohl in großen Mengen vorhanden, inaktiv sind, produzierten und reinigten die Wissenschaftler:innen ein Mitglied dieser Proteinfamilie und analysierten sein Gewicht. Die Analyse gab den Forschenden Einblicke in die strukturellen Merkmale des Proteins und zeigte, dass die Moleküle inaktive Verbünde aus zwei, vier oder sogar mehr Einzelmolekülen mit dann fadenförmiger Struktur bilden. Diese geordneten Verbünde sind für den Balanceakt von angemessener und unerwünschter Aktivierung verantwortlich, denn wenn der Verbund des Rezeptors gestört wird, wird der Zelltod stärker als notwendig in Gegenwart eines viralen Proteins ausgelöst.
Abgesehen von dem Mechanismus der Selbstverpackung in Rezeptorverbünde ergab die Studie der Autoren noch ein weiteres auffälliges Merkmal: jeder einzelne Immunrezeptor ist an ein kleines Molekül, ein Inositolphosphat, gebunden, das für die Aktivierung des Rezeptors und die Zelltodreaktion unverzichtbar ist. Inositolphosphate gibt es in verschiedenen Varianten und wurden bereits vor mehr als 15 Jahren mit der pflanzlichen Abwehr gegen Krankheitserreger in Verbindung gebracht. Unklar war jedoch, wie und wo diese winzigen Moleküle in den Pflanzenzellen wirken. Jetzt gibt es eine Antwort, denn die Forschenden konnten nachweisen, dass alle Mitglieder der Immunrezeptorfamilie in Nachtschattengewächsen, die ständig in hoher Konzentration vorhanden sind, die Eigenschaft haben, Inositolphosphate zu binden.
Warum also stellen Pflanzen bestimmte Immunrezeptoren in so hohen Konzentrationen ständig bereit? Eine mögliche Erklärung ist, dass dies ein grundlegender Mechanismus der Pflanzen ist, um unmittelbar auf eine Infektion reagieren zu können.
Auch bei Tieren, einschließlich des Menschen, wurde beobachtet, dass strukturverwandte Immunrezeptoren geordnete Verbünde bilden, um Autoimmunantworten zu unterbinden. Es scheint sich also um eine universelle Strategie zu handeln, den Balanceakt der Immunantwort von Pflanzen und Tieren im Gleichgewicht zu halten.
Paul Schulze-Lefert fasst zusammen: „Die Selbstverpackung von Immunrezeptoren im Inneren von Zellen ist ein eleganter Weg der Natur, um eine schnelle Immunantwort ohne das Risiko einer Autoimmunität zu gewährleisten“.
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